基于強限制光波導(dǎo)的微環(huán)諧振器及其熱光特性研究.pdf

1、器件小型化的研究一直是集成光電子器件的發(fā)展方向之一。利用強限制光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)器件小型化設(shè)計的一種非常有效的途徑。微環(huán)諧振器(MRR)是集成光電子回路的重要組成單元，它可以實現(xiàn)光無源/有源器件的眾多功能，因此MRR的相關(guān)研究至關(guān)重要。本論文圍繞SOI(Silicon—on—insulator)和SU—8兩種材料，研究了兩種強限制光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)：SOI納米線光波導(dǎo)和SU—8脊型光波導(dǎo)，在此基礎(chǔ)上，對基于強限制光波導(dǎo)的小型化MRR及其熱光特性進(jìn)

2、行了深入的理論和實驗研究。
　　 集成光電子器件的理論基礎(chǔ)是光波導(dǎo)電磁場理論及其數(shù)值計算方法。在此，給出了包括有限差分方法(FDM)、光束傳輸方法(BPM)及時域有限差分方法(FDTD)等的分析求解過程，并將其應(yīng)用到光波導(dǎo)器件的分析研究中。本文利用分步FDTD方法對透鏡光纖(TLF)與SOI納米線光波導(dǎo)的端面耦合系統(tǒng)進(jìn)行了分析：考慮到光纖的旋轉(zhuǎn)對稱性結(jié)構(gòu)，我們采用旋轉(zhuǎn)體FDTD方法對磨錐TLF和拉錐TLF的聚焦特性進(jìn)行了分析，把

3、三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題，節(jié)省了計算資源，提高了計算效率。計算結(jié)果表明拉錐TLF具有較強的聚焦特性，但是相對于磨錐TLF，其傳輸損耗比較大。因為SOI納米線光波導(dǎo)不具備旋轉(zhuǎn)對稱性，所以對光纖—波導(dǎo)耦合系統(tǒng)的特性分析，我們使用了標(biāo)準(zhǔn)的三維FDTD方法。仿真結(jié)果顯示拉錐TLF光斑小，與Si納米線光波導(dǎo)的耦合效率高；但是耦合系統(tǒng)總的損耗(耦合損耗與TLF傳輸損耗之和)與磨錐TLF耦合時計算出的總的損耗相差不多。
　　 在熱傳導(dǎo)理論基礎(chǔ)上

4、建立了光波導(dǎo)的熱學(xué)分析模型，提出了亞微米寬的新型熱電極，并把它應(yīng)用到SOI脊型納米線光波導(dǎo)上。利用自建的熱學(xué)分析模型，對該光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析，并與傳統(tǒng)的掩埋型光波導(dǎo)進(jìn)行了熱學(xué)性能的比較。結(jié)果顯示，具有新型熱電極的SOI脊型納米線光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所需電極功耗低，約為后者的1/10，響應(yīng)速度快，約為后者的2倍。不僅如此，其加工工藝簡單(僅需一次光刻工藝)，制作成本可大大降低。在此基礎(chǔ)上，我們對該光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光學(xué)性能優(yōu)化，并利用MRR結(jié)構(gòu)

5、設(shè)計出一種超小型、低功耗(5mW)、大范圍可調(diào)(20nm)的熱光可調(diào)諧濾波器。
　　 對SOI超小型光波導(dǎo)器件的制作工藝進(jìn)行了總結(jié)，并給出了新型熱電極下的SOI脊型納米線光波導(dǎo)熱光器件的工藝流程。對SU—8脊型光波導(dǎo)(空氣為波導(dǎo)的上包層)的制作工藝進(jìn)行了研究，并對兩種制作工藝(納米壓印技術(shù)和直接紫外光刻技術(shù))進(jìn)行了比較。后者工藝簡單，對于我們設(shè)計的SU—8光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(微米量級)仍然能夠提供足夠的工藝容差，因此本文中關(guān)于SU—8光

6、器件的制作都是利用直接紫外光刻技術(shù)完成的，器件表征結(jié)果顯示利用該技術(shù)能夠制作出低損耗的SU—8光波導(dǎo)及器件，如小型化多模干涉(MMI)耦合器、MRR等。
　　 利用SU—8脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過在MMI區(qū)域引入二次曲線錐形結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一種基于GI(General Interference)干涉機制的小型化2×2 MMI耦合器，并利用直接紫外光刻技術(shù)，完成了該器件的制作，測試結(jié)果顯示該器件具有損耗低、均勻性好、帶寬大等優(yōu)點。把小型化

7、2×2錐形MMI耦合器引入到MRR耦合區(qū)，研制出了小型化的MRR器件，對其光學(xué)性能，包括光譜響應(yīng)、偏振相關(guān)特性等進(jìn)行了表征，并對其熱光效應(yīng)進(jìn)行了實驗研究，測試結(jié)果顯示溫度升高100℃，其諧振波長漂移量將超過10nm，該性質(zhì)對于研制大范圍可調(diào)諧的濾波器件十分有利。針對SU—8脊型光波導(dǎo)的強限制作用及MRR的諧振增強效應(yīng)，我們對MRR的熱光非線性效應(yīng)進(jìn)行了探索性實驗研究，通過對測試結(jié)果的分析，我們得到了SU—8材料對紅外光的吸收系數(shù)約為0.